第二章空分装置讲解

2-2空气的净化2-3空气的液化2-4空气的分离2-5空分流程第二章空气深冷液化分离2-1概述2-6空气深冷分离的操作控制2-1概述什么是空气深冷液化分离装置?利用深度冷冻原理将空气液化，然后根据空气中各组分沸点的不同，在精馏塔内进行精馏，获得氧、氮、一种或几种稀有气体（氩、氖、氦、氪、氙）的装置。空气中的主要成分及沸点一、空气分离的基本过程空气分离的基本过程空气的压缩空气中水分和二氧化碳的清除：由于两者凝固点较高，在进入空分装置低温设备后将会形成冰和于冰，为此需要利用分子筛纯化器预先把空气中的水分和二氧化碳清除掉。空气被冷却到液化温度：在主换热器中，空气被来自精馏后的返流产品气体和污氮气冷却到接近液化温度冷量的制取：为了确保和维持装置正常生产运行所需的热量平衡，由等温节流效应和压缩空气在膨胀机中绝热膨胀对外做功而制取。空气分离的基本过程空气的液化：空气的液化是进行氧、氮分离的首要条件，空气在主热交换器中被返流气冷却到接近液化温度，并在下塔实现空气的液化。精馏：空气的精馏是在精馏塔亦即上、下塔中进行的。在下塔中空气被初次分离成富氧液空和氮气，液空由下塔底部抽出后，经节流送入与液空组分相近的上塔塔板上，一部分液氮由下塔顶部抽出后经节流送入上塔副塔顶部。空气的最终分离是在上塔进行的。产品氧气由上塔底部抽出，而产品氮气则是在上塔副塔顶部抽出，并通过主换热器与进塔的加工空气进行热交换，复热到常温后送出冷箱。危险杂质的清除：采用分子筛纯化流程，大部分碳氢化合物等危险杂质已在纯化器内清除掉，残留部分仍要进入塔内，并积储在冷凝蒸发器中。氮气和液氧的热交换是在冷凝蒸发器中进行的。由于氮气和液氧两种流体所处的压力不同。所以在氮气和液氧的热交换过程中，氮气被液化而液氧被蒸发。氮气和液氧分别由下塔和上塔供给，这是保证上、下塔精馏过程的进行所必须具备的条件。二、空分装置类型空分装置高压(7～20MPa)中压(1.5～5MPa)低压（0.5～0.8MPa）小型制取气态产品和液态产品的装置小型制取气态产品的装置中型和大型制取气态产品的装置超低压（0.3MPa以下）三、氧气、氮气的应用氧气的应用：化学性质非常活泼，化学活性很强，是一种强氧化剂，用于金属的焊接及切割，广泛地应用于高炉及炼钢生产中和铁钢的熔炼过程及轧钢过程中，也是化肥工业上的煤汽化、重油汽化常用的汽化剂和氧化剂。氮气的应用：化学性质不活泼，可用作保护气体；无毒，最常用的安全冷却剂。2-2空气的净化空气净化的目的?脱除空气中所含的机械杂质、水分、二氧化碳、烃类化合物（主要为乙炔）等杂质一、机械杂质的脱除湿式干式拉西环式：由钢制外壳和装有拉西环的插入盒构成油浸式：由许多片状链组成，片状链上有钢架空气过滤器袋式：由滤袋、清灰装置、清灰控制装置等组成干带式自洁式：由高效过滤桶、文氏管、自洁专用喷头、反吹系统、控制系统、净气室、出风口和框架等组成。自洁式空气过滤器优点：①具有前置过滤网，防止柳絮、树叶及废纸吸人，减轻滤桶负担，延长其使用寿命。②安装简单，只需配管、通电、通气即可工作。③过滤效率高。④过滤阻力小。⑤自耗小。⑥占地面积小。⑦结构简单设备质量轻。⑧部件使用寿命长。⑨防腐性能好。⑩维护工作量低。二、水分、二氧化碳、乙炔的脱除脱除水分、二氧化碳、乙炔的常用方法有吸附法和冻结法等。视装置不同特点，采用不同方法。（一）空气预冷系统位于空气压缩机和分子筛吸附系统之间，用来降低进分子筛吸附系统空气的温度及H2O(g)、CO2含量，在填料式空气冷却塔的下段，出空压机的热空气被常温的水喷淋降温，并洗涤空气中的灰尘和能溶于水的NO2、SO2、Cl2、HF等对分子筛有毒害作用的物质；在空冷塔的上段，用经污氮降温过的冷水喷淋热空气，使空气的温度降至10～20℃。（二）分子筛吸附法此法让空冷塔预冷后的空气，自下而上流过分子筛吸附器，空气中所含有的H2O、CO2、C2H2等杂质相继被吸附剂吸附清除。吸附器一般有两台，一台吸附时，另一台再生，两台交替使用。优点：产品处理量大、操作简便、运转周期长和使用安全可靠1．吸附剂硅胶是人造硅石，是用硅酸钠与硫酸反应生成的硅酸凝胶，经脱水制成。其分子式可写为SiO2·nH2O。硅胶具有较高的化学稳定性和热稳定性，不溶于水和各种溶剂（除氢氟酸和强碱外）。按孔隙大小的不同，可分为粗、细孔两种。硅胶活性氧化铝分子筛硅胶是人造硅石，是用硅酸钠与硫酸反应生成的硅酸凝胶，经脱水制成。其分子式可写为SiO2·nH2O。硅胶具有较高的化学稳定性和热稳定性，不溶于水和各种溶剂（除氢氟酸和强碱外）。按孔隙大小的不同，可分为粗、细孔两种活性氧化铝是用碱或酸从铝盐溶液中沉淀出水合氧化铝，然后经过老化、洗涤、胶溶、干燥和成形而制得氢氧化铝，氢氧化铝再经脱水而得活性氧化铝。其分子式为A12O3，呈白色，具有较好的化学稳定性和机械强度。分子筛是人工合成的泡沸石，是硅铝酸盐的晶体，呈白色粉末，加入黏结剂后可挤压成条状、片状和球状。无毒、无味、无腐蚀性，不溶于水及有机溶剂，但能溶于强酸和强碱。经加热失去结晶水，晶体内形成许多毛细孔，允许小于孔径的分子通过，而大于孔径的分子被阻挡。进入毛细孔内的分子能否被吸附，与其极性、极化率和不饱和度等性质有关。目前空分设备中通常选用的作空气净化吸附剂的类型为13X分子筛。吸附剂2．吸附原理吸附是利用一种多孔性固体物质去吸取气体（或液体）混合物中的某种组分，使该组分从混合物中分离出来的操作。吸附用的多孔性固体称为吸附剂，把被吸附的组分称为吸附质。吸附所用的设备称为吸附器。通常把被吸附物含量低于3%，并且是弃之不用的吸附称为吸附净化；若被吸附物含量高于3%或虽低于3%，但被吸附物是有用而不弃去的吸附称为吸附分离。吸附原理当含吸附质浓度为ya的混合气体以恒定流速自下而上进入吸附器时，吸附质首先在靠近吸附器进口端的吸附剂人口处被吸附，并渐渐趋于饱和。饱和时吸附剂上的吸附质浓度xa与进气浓度ya平衡，气体经过这一段吸附柱时浓度不再发生变化，这一区域被称为吸附平衡区。在平衡区以上是正在进行吸附的传质区，传质区以上是未吸附区。继续进料，吸附器中传质区逐渐上移，平衡区慢慢扩大，未吸附区相应缩小。当传质区前缘移出吸附柱，则流出气体中吸附质浓度开始增加。当传质区的尾缘也离开了吸附柱的出口截面，这时整个吸附柱都达到饱和，对原料气的吸附质不再具有吸附能力，经过吸附柱后的气体中吸附质浓度仍为ya。3．吸附剂的吸附容量吸附剂的吸附容量指单位数量的吸附剂最多吸附的吸附质的量。吸附容量大，吸附时间长，吸附效果好。吸附容量通常受吸附过程的温度和被吸附组分的分压力（或浓度）、气体流速、气体湿度和吸附剂再生完善程度的影响。吸附容量随吸附质分压的增加而增大；随吸附温度的降低而增大；流速越高，吸附剂的吸附容量越小吸附效果越差。流速不仅影响吸附能力，而且影响气体的干燥程度；吸附剂再生越彻底，吸附容量就越大。分子筛对相对湿度较低的气体吸附能力较大。4．大气中有害杂质的吸附及其影响对分子筛有害的杂质有：二氧化硫、氧化氮、氯化氢、氯、硫化氢和氨等。这些成分被分子筛吸附后又遇到水分的情况下，会与分子筛起反应而使分子筛的晶格发生变化。它们与分子筛的反应是不可逆的，因而降低了分子筛的吸附能力。H2S＋O2→SO2＋H2OSO2＋O2→SO3SO3＋H2O→H2SO4NO＋O2→NO2NO2＋H2O→HNO32-3空气的液化什么是空气的液化?空气的液化指将空气由气相变为液相的过程，目前采用的方法为给空气降温，让其冷凝。在空气液化的过程中，为了补充冷损、维持工况以及弥补换热器复热的不足，需要用到制冷循环。一、制冷的热力学基础空气的热力学参数焓：内能和流动能之和，即H=U＋pΔV，用H表示，其单位也为J熵：dS=αP／T或∆S＝q／T，熵的增量等于系统在不可逆过程中从外界传人的热量，除以传热当时的绝对温度所得的商。熵增加的大小反映了过程不可逆的程度。对节流过程来说，是绝热的不可逆过程，熵是增大的。增大的越多，说明不可逆程度越大。对膨胀机来说，在理想情况下，为一可逆过程，熵不变。内能：分子的动能和位能之和称为气体的内能，用U来表示，单位为J。动能与气体的温度有关，位能取决于分子之间的距离，即由气体的体积来决定。所以内能也是状态参数。内能的改变通常通过传热和做功两种方式来完成。可逆过程和不可逆过程：当物系由某一状态变化到另一状态时，若过程进行得足够缓慢，或内部分子能量平衡的时间极短，则这个过程反过来进行时，能使物系和外界完全复原，称此过程为可逆过程。如不能完全复原，称为不可逆过程。2．空气的温一熵图以空气的温度T为纵坐标，以熵S为横坐标，并将压力p、焓H及它们之间的关系，直观地表示在一张图上，这个图就称为空气的温一熵图，简称空气的T-S图。在空气的液化过程，用T-S图可表示出物系的变化过程，并可直接从图上求出温度、压力、熵和焓的变化值。空气的T-S简图向右上方的一组斜线为等压线；向右下方的一组线为等焓线；图下部山形曲线为饱和曲线，山形曲线的顶点k是临界点，通过临界点的等温线称为临界等温线。在临界点左边的山形曲线为饱和液体线，临界点右边的山形曲线为饱和气体线。临界等温线下侧和饱和液体线左侧的区域为液体状态区；临界等温线下侧和饱和气体线右侧，以及临界等温线以上的区域是气相区；山形曲线的内部是气液两相共存区，亦称为湿蒸汽区。两相共存区内任意一点表示一个气液混合物。二、空气液化时的制冷原理工业上空气液化常用两种方法获得低温，即空气的节流膨胀和膨胀机的绝热膨胀制冷。什么是节流膨胀?什么是膨胀机的绝热膨张连续流动的高压气体，在绝热和不对外做功的情况下，经过节流阀急剧膨胀到低压的过程，称为节流膨胀。过程不可逆。压缩气体经过膨胀机在绝热下膨胀到低压，同时输出外功的过程．称为膨胀机的绝热膨张。过程可逆。节流膨胀为等焓过程，气体经过节流膨胀后，一般温度要降低。膨胀机的绝热膨胀为等熵过程。利用气体T-S图能十分方便地计算出节流膨胀前后温度的变化。在图中，由2点作等焓线H2，与等压线p1相交于1点，线段2→1表示节流膨胀过程，1点的温度T1即为节流膨胀后的温度，T2—T1为节流膨胀前后的温度差。线段2—3表示气体由压力为p2、温度为T2的2点，等熵膨胀到p1时的过程，T2—T3为膨胀前后气体的温度差。等熵膨胀的降温效果比节流膨胀的降温效果好。但膨胀机的结构比节流阀复杂。三、空气的液化循环目前空气液化循环主要有两种类型：以节流为基础的液化循环；以等熵膨胀与节流相结合的液化循环。1．以节流膨胀为基础的循环亦称简单林德循环。节流的温降很小，制冷量也很少，所以在室温下通过节流膨胀不可能使空气液化．必须在接近液化温度的低温下节流才有可能液化。因此，以节流为基础的液化循环，必须使空气预冷，常采用逆流换热器，回收冷量预冷空气。节流循环流程的示意图及T-S图由图表示。系统由压缩机、中间冷却器、逆流换热器、节流阀及气液分离器组成。林德循环的流程图及T-S图林德循环启动阶段应用简单林德循环液化空气需要有一个启动过程，首先要经过多次节流，回收等焓节流制冷量预冷加工空气，使节流前的温度逐步降低．其制冷量也逐渐增加，直至逼近液化温度，产生液化空气。这一连串多次节流循环即林德循环启动阶段如上图。实际林德循环存在着许多不可逆损失，主要有：①压缩机组（包括压缩和水冷却过程）中的不可逆性，引起的能量损失；②逆流换热器中存在温差，即换热不完善损失；③周围介质传人的热量，即跑冷损失。2．以等熵膨胀与节流相结合的液化循环(1)克劳特循环：1902年，克劳特提出了膨胀机膨胀与节流相结合的液化循环称之为克劳特循环，其流程及在T-S图中的表示见图：空气由1点（T1，p1）被压缩机工等温压缩至2点（p2，T1）经换热器Ⅱ冷却至点3后分为两部分，其中Mkg进入换热器Ⅲ继续被冷却至点5，再由节流阀V节流至大气压（点6），这时Zkg气体变为液体。(M﹣Z)kg的气体成为饱和蒸气返回。当加工空气为lkg时，另一部分(1—M)kg